1.一种太赫兹定量可控可切换双功能手性超构表面,其主要特征在于:设计超构表面单元结构,所述结构包括四层:由顶层至底层依次为S形石墨烯薄膜、一组对角连接的二氧化钒方环和手性双箭头对角连接的金属片结合而成的复合谐振图案、硅介质层和底层金属板;所述单元结构在o‑xyz坐标系中沿x和y方向进行周期性排布形成超表面微结构,o为坐标原点;
所述S形石墨烯薄膜附着于复合谐振图案表面,其中,S形石墨烯薄膜两端延伸的部分长为a=2.75μm,圆形部分的外环和内环的半径r1和r2分别为2μm和1μm;
所述复合谐振图案和底层金属板分别贴合硅介质层的上下表面,其中,复合谐振图案和底层金属板的厚度t均为0.2μm;
所述二氧化钒方环和双箭头对角连接的金属片构成手性结构,其中,二氧化钒方环的外环和内环长度分别为l1=18μm和l2=13.2μm,中间对角线宽为w2=0.5μm;手性箭头的长分别为a=3.7μm和b=2.75μm,宽为w1=1μm;
所述硅介质层采用介电常数为11.56的硅介质基板,其中,介质基板的厚度h为10μm;
7
所述金属片和底层金属板的材料均采用电导率为4.5×10S/m的金薄膜;
所述二氧化钒方环可通过改变电导率数值实现由绝缘态到金属态的可逆转变,其电导率可随外界温度发生改变,温度低于68℃,呈绝缘态,其电导率为10S/m;温度大于或等于685
℃,呈金属态,其电导率为2×10S/m。
2.根据权利要求1所述的太赫兹定量可控可切换双功能手性超构表面,其主要特征在于:所述S形石墨烯薄膜的电导率模型由Kubo公式表示:
其中,σ表示电导率,下标graphene表示石墨烯,ω表示角频率,σgraphene(ω)表示石墨烯电导率;e、Γ和kB分别表示电子电量、与能量无关的散射率和玻尔兹曼常数,T、和EF分别为工作时的环境温度、约化普朗克常数和费米能级。
3.根据权利要求1或2任一项所述的太赫兹定量可控可切换双功能手性超构表面,其主要特征在于:所述二氧化钒在太赫兹波段的介电常数 可以用如下模型表示:其中,ε表示相对介电常数,VO2表示二氧化钒, 表示二氧化钒的相对介电常数,k表示二氧化钒在金属态时的体积分数,下标insulating表示绝缘态,εinsulating表示二氧化钒绝缘态的相对介电常数,下标metallic表示金属态,εmetallic表示二氧化钒金属态的相对介电常数,在太赫兹频率下介电混合行为并不依赖于频率,并且它不受εinsulating和εmetallic的显著影响,氧化钒的介电常数 为恒定值,与环境温度T相关的VO2中金属微粒的体积分数获得方法如下:其中,T0表示相变温度,相变温度可以通过掺杂进行调控,T0=68℃;另外在二氧化钒的相变过程中,升温过程与降温过程并不完全同步,其间存在一个迟滞过程,式中通过△T进行体现,△T=2℃。
4.根据权利要求1至3任一项所述太赫兹定量可控可切换双功能手性超构表面,其主要特征在于:所述超构表面的极化转换率ξ满足:
其中,ξ0表示极化转换率均值,τ表示为极化转换率相对误差;
所述超构表面的极化转换率ξ的获得方法为:
其中,Rxy表示电磁波沿坐标y轴方向极化入射后转换成x轴方向极化反射形成的交叉极化反射系数,Ryy表示电磁波沿y轴方向极化入射后转换成y轴方向极化反射形成的共极化反射系数,二者获得方法可表示如下,其中,i表示入射波,r表示反射波, 表示反射电场沿坐标轴x方向的电场分量, 表示入射电场沿坐标轴y方向的电场分量, 表示反射电场沿坐标轴y方向的电场分量;将坐标轴x、y逆时针旋转45°分别得到u、v轴; 表示相位,m表示交叉极化反射系数在工作带宽内的任意一频点,n表示共极化反射系数在工作带宽内的任意一频点; 和 分别表示在任意频点m处沿u和v轴方向的反射相位; 和 分别表示在任意频点n处沿u和v轴方向的反射相位;
则所述超构表面极化转换率ξ表示为:
进一步地,所述超构表面极化转换率ξ可通过极化转换率误差控制函 表示为:进而得到超构表面极化转换率控制模型F(ξ):
其中,J表示极化转换超表面在工作带宽内随机频率采样点数,q1和q2分别表示交叉极化反射和共极化反射工作频率起始值,g1和g2分别表示交叉极化反射和共极化反射工作频率终值。
5.根据权利要求4所述的太赫兹定量可控可切换双功能手性超构表面,其主要特征在于:所述超构表面的吸收率A(ω)满足:
其中,A(ω)n和A(ω)n+1分别表示在第n和第n+1频点处经仿真得到的吸收率拟合值,γ表示吸收率相对误差;
所述超构表面的吸收A(ω)的获得方法为:
2 2
A(ω)=1‑R(ω)‑T(ω)=1‑|S11|‑|S21|其中,R(ω)和T(ω)分别表示超构表面的反射率和透射率,S11和S21分别表示超构表面的反射系数和透射系数,由于金属底板金膜厚度远大于金在此工作频段的趋肤深度,电磁波无法从底板透射,故透射率可近似为零;因此,吸收率A(ω)可表示为:其中,Zin(ω)为超构表面的输入阻抗,Z0为自由空间中的波阻抗,Z0=377Ω,Zin(ω)可表示为:Zin(ω)=Re{Zin(ω)}+jIm{Zin(ω)}其中,Re{Zin(ω)}为输入阻抗的实部,Im{Zin(ω)}为输入阻抗的虚部,j为虚数单位;
则所述超构表面吸收率A(ω)表示为:
进一步地,所述超构表面吸收率A(ω)可通过吸收率误差控制函数d(Zin(ω),Z0)表示:进而得到超构表面吸收率控制模型D(A(ω)):
其中,c为超表面吸波器在工作带宽的频率采样点数,g3为工作带宽的频率起始值,g4为工作带宽的频率终值。
6.根据权利要求5所述太赫兹定量可控可切换双功能手性超构表面,其主要特征在于:所述超构表面可用控制模型Φ(ξ,A(ω))同时操纵极化转换率和吸收率,表示如下:Φ(ξ,A(ω))=α1F(ξ)+α2D(A(ω))其中,α1和α2分别表示极化转换率影响因子和吸收率影响因子;所述超构表面的控制模型Φ(ξ,A(ω))可以改写为:所述超构表面实际控制模型ΦF(ξ,A(ω))可表示为:其中,λ为电磁屏蔽系数,其值可以采用标准吸收器和极化转换进行标定。